60◆ 北京科技大学学报 2001年第1期 1991年3月前(t<5×10h): 2.2炉壳变形原因 y=158.34-5.97×104t (1) 为分析炉壳变形的原因，实验测定了炉壳 1991年3月后(t≥5×10h): 材料的多项力学性能.试件分别选自备用炉壳 y=354.36-4.24×10-3t (2) 材料（新料）和炉壳变形部位的直接取样（旧料）. 比较式(1)和(2)可知，1990年更换耐火材料 炉壳旧料高温强度的实测数据见表2.根据以上 后，炉壳变形速度增加了近10倍.最大变形位 测试、试验和计算分析，炉壳应力在相应温度下 于出钢口(0)方向托圈下方的炉壳部位，径向膨 并未超过其屈服极限.此外450℃条件下，4万 胀变形达197mm.炉壳严重变形的区域也是炉 次脉动加载(60~120N/mm)实验证实试样无残 壳温度最高的部位.实测结果表明：炉身严重变 余变形或疲劳损伤.因此可以认为：炉壳变形的 形部位的炉壳表面温度都在400℃以上，局部高 主要原因是其材料的高温蠕变 温超过470℃ 表2SM41CNI旧炉壳材料的主要力学性能 2炉壳变形原因的分析 Table 2 Mechanical performance of SM41CN 0/℃Goa/N.mm2δ/%y/%c,/N·mm2 E/kN.mm2 2.1炉壳应力有限元分析 450 227.3 3.8782.25356.3 214.481 采用有限元方法对300t转炉的炉壳应力进 行了详细的计算分析.炉壳应力主要由机械应 3炉壳残余寿命预测 力与温度应力两部分组成，而温度应力包括炉 体结构本身温度分布不均形成的内应力和炉村 如上所述：炉壳变形的主要原因是高温蠕 耐火材料与炉壳膨胀变形不一致而形成的膨胀 变.因此炉壳寿命预测的主要判据就是炉壳材 应力 料的蠕变规律. 炉壳机械应力的计算主要考虑耐火材料、 3.1炉壳材料蠕变性能实验 炉壳及钢水自重等负载.不论转炉处于任何方 试件包括新、旧炉壳材料2种，试验按GB 位，钢水重力负载都按其相应密度和等效深度， 一2039一80执行.试验设备采用德国ZST蠕变 以静水压力方式作用于炉内. 试验机，砝码加载.控温系统采用TA091温度 采用与机械应力分析相同的计算模型，去 调节器调整加热功率，温度控制精度可达0.5%. 除炉衬耐火材料的约束和机械负荷，附加实测 变形测量采用长春材料研究所研制的差动变压 温度分布边界条件，确定炉壳温度应力 器加电位放大器及X一Y记录仪，系统测量精度 膨胀应力的计算须考虑炉壳和炉衬耐火材 为0.1%，并伴有数字电压表定时测取位移读数. 料的变形协调条件.计算时将分析模型分为炉 根据炉壳工矿分析数据，实验温度为450℃， 壳、炉村两部分.分别输人温度条件计算炉壳、 蠕变应力选在220~140N/mm2,低于材料屈服限. 炉衬的自由膨胀并确定不协调位移量，通过分 SM41CN炉壳材料蠕变实验结果见表3.实验结 析炉壳、炉衬的刚度关系，根据变形协调条件将 果可以看出，由于旧材料在长期使用过程中已积 不协调位移转化为炉壳内部的分布压力，再以 累了一定的内部损伤，断裂寿命明显低于新材 分布压力为载荷计算炉壳膨胀应力.而炉壳应 料.从表中的数据可以看出，随着实验应力的降 力的最终计算结果是以上3部分的组合. 低，新旧材料的断裂寿命之比约为2.因此可 炉壳整体应力分布形态十分复杂，但膨胀 以认为炉壳材料的使用期已超过自身蠕变寿命 变形的直接动力是环向拉伸应力作用.炉身严 的50%. 重变形部位在不同工况条件的环向拉伸应力计 3.2炉壳材料蠕变寿命预测 算结果见表1.最大变形位于出钢口一侧与出钢 (1)应力外推法.大量的实验结果表明，蠕 时的偏负荷作用有关 变应力、材料断裂寿命和达到一定形变量的时 表1转炉作业工况() 间之间满足下列关系： Table 1 Steel-making process and shell stress t=AXo (3) 变量 辅助操作(-1)加料与吹炼(=2)出钢(=3) 式中，·为材料在一定的温度下达到规定形变量 t/h 0.25 0.467 0.08 或断裂所需的时间；o为蠕变应力；A和α分别为 o/N.mm 70 80 110 所对应的2个材料常数.利用蠕变实验结果回北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 1 年 第 1 期 19 9 1 年 3 月前 ( t< s x l o ` h ) : 夕 = 1 5 8 . 3 4一 5 . 9 7 x l 0 一 4 t ( l ) 1 9 9 1 年 3 月后 ( t ) s x l o ` h) : 夕 = 3 5 4 . 3 6一 4 . 2 4 x l 0 一 , t ( 2 ) 比较 式 ( 1) 和 ( 2) 可知 , 19 90 年更换 耐火材料 后 , 炉壳变形 速度增加 了 近 10 倍 . 最大变形位 于出钢 口 ( 0 0) 方 向托圈下方 的炉壳 部位 , 径 向膨 胀 变形达 197 ~ . 炉壳 严重变形 的 区域也是 炉 壳 温度最高 的部位 . 实测结果 表明 : 炉身严重变 形 部位 的炉壳表面温度都在 4 0 ℃ 以上 , 局部高 温超过 4 7 0℃ t , , . 2 炉壳变形原 因的分析 .2 1 炉壳应力有限元分析 采用有 限元 方法对 3 0 t转炉 的炉壳应力进 行 了详 细 的计算 分析 . 炉壳应力 主要 由机械应 力 与温度应力 两部分组 成 , 而 温度应力包括 炉 体结构本身温度分布不均形成 的内应力 和 炉衬 耐火材料与炉壳膨胀 变形不一致而形 成的膨胀 应力 . 炉壳 机 械应力 的计 算 主要考 虑耐 火材 料 、 炉壳及 钢水 自重等 负载 . 不论 转炉处 于任何方 位 , 钢水重力负载都按其 相应密度 和等效深度 , 以静水 压力方式 作用于炉 内 . 采 用与机械应 力分析相 同的计算模 型 , 去 除炉衬耐火材料 的约束 和机械负荷 , 附加实测 温度分布边界 条件 , 确定 炉壳温度应力 . 膨 胀应力 的计算 须考虑炉 壳和炉衬耐火 材 料的变形协 调条件 . 计 算时将 分析 模型分 为炉 壳 、 炉衬两部 分 . 分别 输人温 度条件计算 炉壳 、 炉衬 的 自由膨胀并确定 不协调位 移量 . 通 过分 析炉壳 、 炉衬 的刚度关系 , 根据变形协调 条件将 不协调位 移转化 为炉壳 内部 的分布压力 , 再 以 分布压力 为载荷计算 炉壳膨胀应 力 . 而 炉壳应 力 的最终计 算结果 是 以上 3 部分 的组合 . 炉壳整体应 力分布形态 十分复杂 口, , 但膨胀 变形 的直接动力 是环 向拉伸应 力作用 . 炉身严 重变形部位 在不 同工况条件 的环 向拉伸应力计 算结果见表 1 . 最大变形位于 出钢 口一侧与 出钢 时的偏 负荷作用 有关 . 表 1 转炉作 业工 况(k) aT b le 1 St e -l m a k in g P ocr e s s a n d s h el s t esr s .2 2 炉壳变形原因 为 分析炉壳 变形 的原 因 , 实验测 定 了炉壳 材料 的多项力 学性能 . 试件分别选 自备用炉壳 材料 (新 料 )和炉壳 变形部位 的直 接取样 (旧料) . 炉壳 旧料 高温强 度的实测数据见表 2 . 根据 以上 测试 、 试验 和计算分析 , 炉壳应力在相应温度下 并 未超过其屈服极 限 . 此外 4 50 ℃ 条件下 , 4 万 次脉动加 载 ( 60 一 12 O N 加m Z ) 实验证实试样无残 余变形或疲劳损伤 . 因此 可以认为 : 炉壳变形 的 主要原 因是其材料 的高温蠕 变 . 表 2 S M l4 C N 旧炉壳材料 的主要 力学性能 aT b le 2 M ec h a n i e a l eP r fo r m a n c e o f S M 4 1 C N 0 /℃ a0 州 · m m 一 2 6 o0/ 少 o/ 饥加 · m m 一 Z E k/ N · ~ 一 2 4 5 0 2 2 7 . 3 3 . 8 7 8 2 . 2 5 3 5 6 . 3 2 1 4 . 4 8 1 变量 t 爪 辅助操作(=k l) 加料与吹炼 (卜2) 出钢(=k 3) 0 . 4 6 7 司N · m r 以一 2 7 0 80 1 1 0 3 炉 壳残余寿命预测 如上所述 : 炉壳 变形 的主要原 因 是高温蠕 变 . 因此炉 壳寿命预 测的主要判据 就是炉壳材 料 的蠕变规 律 . .3 1 炉壳材料蠕变性能实验 试件包括 新 、 旧 炉壳材料 2 种 , 试验按 G B 一2 03 9一80 执行 . 试 验设备采 用德 国 Z S T 蠕 变 试验机 , 祛码 加载 . 控 温系统采 用 T A, 0 9 1 温度 调节器调整加热功率 , 温度控制精度可达 .0 5% 变形测量采 用长春材料研究所研 制的差动变压 器加 电位放大器及 X 一 Y 记录仪 , 系统测量精 度 为 0 . 1% , 并伴 有数字电压表定时测取位移读数 . 根 据炉壳工矿分析数据 , 实验温度为 4 50 ℃ , 蠕变应力选在 2 20 一 140 N rI/ im Z , 低于材料屈服限 . S M 4 1C N 炉壳材 料蠕变实验结 果见表 3 . 实验结 果可 以看 出 , 由于旧材料在长期使用过程中已积 累了 一定 的 内部损伤 , 断裂 寿命明显低于新材 料 . 从表 中的数据可 以看 出 , 随着实验应力 的降 低 , 新 旧 材料 的断裂 寿命之 比 约为 2 . 因此可 以认 为炉壳材料 的使 用期 已超过 自身蠕变寿命 的 5 0% . .3 2 炉壳材料蠕变寿命预测 ( l) 应力 外推法 . 大量 的实验 结果表 明 , 蠕 变应力 、 材料断裂 寿命和达 到一定形变量 的时 间之 间满足下列关系 : t = A x a a ( 3 ) 式 中 , t 为材料在一 定的温度下达 到规定形变量 或断裂 所需 的时间 ; 。 为蠕变应力 ; A 和a 分别为 所对应 的 2 个材料 常数 . 利用 蠕变实验结果 回